SiC viena kristāla strauja izaugsmeCVD-SiC lielapjomaAvots, izmantojot sublimācijas metodi
Izmantojot pārstrādātuCVD-SiC blokiKā SiC avots SiC kristāli tika veiksmīgi audzēti ar ātrumu 1, 46 mm / h, izmantojot PVT metodi. Izaugušā kristāla mikrocaurules un dislokācijas blīvumi liecina, ka, neskatoties uz augsto augšanas ātrumu, kristāla kvalitāte ir lieliska.
Silīcija karbīds (SiC)ir platjoslas pusvadītājs ar lieliskām īpašībām izmantošanai augsta sprieguma, lielas jaudas un augstas frekvences apstākļos. Tā pieprasījums pēdējos gados ir strauji pieaudzis, īpaši jaudas pusvadītāju jomā. Jaudas pusvadītāju lietojumiem SiC monokristālus audzē, sublimējot augstas tīrības SiC avotu 2100–2500 °C temperatūrā, pēc tam pārkristalizējot uz sēklu kristāliem, izmantojot fizikālo tvaiku transportēšanas (PVT) metodi, kam seko apstrāde, lai iegūtu monokristālu substrātus uz plāksnēm. . Tradicionāli,SiC kristālitiek audzēti, izmantojot PVT metodi ar augšanas ātrumu no 0,3 līdz 0,8 mm/h, lai kontrolētu kristāliskumu, kas ir salīdzinoši lēns salīdzinājumā ar citiem vienkristāla materiāliem, ko izmanto pusvadītāju lietojumos. Kad SiC kristālus audzē ar augstu augšanas ātrumu, izmantojot PVT metodi, nav izslēgta kvalitātes pasliktināšanās, tostarp oglekļa ieslēgumi, samazināta tīrība, polikristāliska augšana, graudu robežu veidošanās, kā arī dislokācijas un porainības defekti. Tāpēc SiC strauja izaugsme nav attīstīta, un lēnais SiC augšanas ātrums ir bijis galvenais šķērslis SiC substrātu produktivitātei.
No otras puses, jaunākajos ziņojumos par SiC straujo pieaugumu ir izmantotas augstas temperatūras ķīmiskās tvaiku pārklāšanas (HTCVD) metodes, nevis PVT metode. HTCVD metode izmanto tvaikus, kas satur Si un C kā SiC avotu reaktorā. HTCVD vēl nav izmantots liela mēroga SiC ražošanai, un tā komercializācijai ir nepieciešama turpmāka izpēte un izstrāde. Interesanti, ka pat pie liela augšanas ātruma ∼ 3 mm/h SiC monokristālus var audzēt ar labu kristāla kvalitāti, izmantojot HTCVD metodi. Tikmēr SiC komponenti ir izmantoti pusvadītāju procesos skarbos apstākļos, kuriem nepieciešama ārkārtīgi augsta tīrības pakāpe. Pusvadītāju procesa lietojumiem ∼99,9999% (∼6N) tīrības SiC komponentus parasti sagatavo CVD procesā no metiltrihlorsilāna (CH3Cl3Si, MTS). Tomēr, neskatoties uz CVD-SiC komponentu augsto tīrību, tie pēc lietošanas ir izmesti. Nesen izmesti CVD-SiC komponenti tika uzskatīti par SiC avotiem kristālu augšanai, lai gan daži reģenerācijas procesi, tostarp drupināšana un attīrīšana, joprojām ir nepieciešami, lai apmierinātu kristāla augšanas avota augstās prasības. Šajā pētījumā mēs izmantojām izmestus CVD-SiC blokus, lai pārstrādātu materiālus kā avotu SiC kristālu audzēšanai. CVD-SiC bloki monokristālu audzēšanai tika sagatavoti kā kontrolēta izmēra drupināti bloki, kas pēc formas un izmēra ievērojami atšķiras no komerciālā SiC pulvera, ko parasti izmanto PVT procesā, tāpēc bija paredzams, ka SiC monokristālu augšanas uzvedība būs ievērojami atšķirīga. dažādi. Pirms SiC monokristālu augšanas eksperimentu veikšanas tika veiktas datorsimulācijas, lai sasniegtu augstu augšanas ātrumu, un termiskā zona tika attiecīgi konfigurēta monokristālu augšanai. Pēc kristālu augšanas izaudzētie kristāli tika novērtēti ar šķērsgriezuma tomogrāfiju, mikro-Raman spektroskopiju, augstas izšķirtspējas rentgenstaru difrakciju un sinhrotronu baltā stara rentgena topogrāfiju.
1. attēlā parādīts CVD-SiC avots, ko šajā pētījumā izmanto SiC kristālu PVT augšanai. Kā aprakstīts ievadā, CVD-SiC komponenti tika sintezēti no MTS ar CVD procesu un mehāniski apstrādāti pusvadītāju lietošanai. N tika leģēts CVD procesā, lai panāktu vadītspēju pusvadītāju procesa lietojumos. Pēc izmantošanas pusvadītāju procesos CVD-SiC komponenti tika sasmalcināti, lai sagatavotu avotu kristālu augšanai, kā parādīts 1. attēlā. CVD-SiC avots tika sagatavots kā plāksnes ar vidējo biezumu ∼ 0,5 mm un vidējo daļiņu izmēru 49,75 mm.
1. attēls: CVD-SiC avots, kas sagatavots ar MTS balstītu CVD procesu.
Izmantojot 1. attēlā parādīto CVD-SiC avotu, SiC kristāli tika audzēti ar PVT metodi indukcijas sildīšanas krāsnī. Lai novērtētu temperatūras sadalījumu termiskajā zonā, tika izmantots komerciālās simulācijas kods VR-PVT 8.2 (STR, Serbijas Republika). Reaktors ar termisko zonu tika modelēts kā 2D asimetrisks modelis, kā parādīts 2. attēlā, ar tā sieta modeli. Visi simulācijā izmantotie materiāli ir parādīti 2. attēlā, un to īpašības ir norādītas 1. tabulā. Pamatojoties uz simulācijas rezultātiem, SiC kristāli tika audzēti, izmantojot PVT metodi temperatūras diapazonā no 2250–2350°C Ar atmosfērā plkst. 35 Torr 4 stundas. Par SiC sēklu tika izmantota 4° ārpusass 4H-SiC vafele. Izaugušie kristāli tika novērtēti ar mikro-Raman spektroskopiju (Witec, UHTS 300, Vācija) un augstas izšķirtspējas XRD (HRXRD, X'Pert-PROMED, PANalytical, Nīderlande). Piemaisījumu koncentrācijas audzētajos SiC kristālos tika novērtētas, izmantojot dinamisko sekundāro jonu masas spektrometriju (SIMS, Cameca IMS-6f, Francija). Izaugušo kristālu dislokācijas blīvums tika novērtēts, izmantojot sinhrotrona baltā stara rentgena topogrāfiju Pohang gaismas avotā.
2. attēls. Termiskās zonas diagramma un PVT augšanas tīkla modelis indukcijas apkures krāsnī.
Tā kā HTCVD un PVT metodes audzē kristālus gāzveida un cietās fāzes līdzsvarā augšanas frontē, veiksmīga strauja SiC augšana ar HTCVD metodi izraisīja izaicinājumu SiC straujai augšanai ar PVT metodi šajā pētījumā. HTCVD metode izmanto gāzes avotu, kas ir viegli kontrolējams ar plūsmu, savukārt PVT metode izmanto cieto avotu, kas tieši nekontrolē plūsmu. Plūsmas ātrumu, kas tiek nodrošināts augšanas frontei PVT metodē, var kontrolēt ar cietā avota sublimācijas ātrumu, izmantojot temperatūras sadalījuma kontroli, taču precīzu temperatūras sadalījuma kontroli praktiskās augšanas sistēmās nav viegli sasniegt.
Palielinot avota temperatūru PVT reaktorā, SiC augšanas ātrumu var palielināt, palielinot avota sublimācijas ātrumu. Lai panāktu stabilu kristālu augšanu, temperatūras kontrole augšanas frontē ir ļoti svarīga. Lai palielinātu augšanas ātrumu, neveidojot polikristālus, augšanas frontē ir jāsasniedz augstas temperatūras gradients, kā to parāda SiC augšana, izmantojot HTCVD metodi. Nepietiekamai vertikālai siltuma vadīšanai uz vāciņa aizmuguri vajadzētu izkliedēt augšanas frontē uzkrāto siltumu caur termisko starojumu uz augšanas virsmu, izraisot lieko virsmu veidošanos, ti, polikristālisku augšanu.
Gan masas pārneses, gan pārkristalizācijas procesi PVT metodē ir ļoti līdzīgi HTCVD metodei, lai gan tie atšķiras SiC avotā. Tas nozīmē, ka straujš SiC pieaugums ir sasniedzams arī tad, ja SiC avota sublimācijas ātrums ir pietiekami augsts. Tomēr augstas kvalitātes SiC monokristālu iegūšanai augstos augšanas apstākļos, izmantojot PVT metodi, ir vairākas problēmas. Komerciālie pulveri parasti satur mazu un lielu daļiņu maisījumu. Virsmas enerģijas atšķirību dēļ mazajām daļiņām ir salīdzinoši augsta piemaisījumu koncentrācija un tās sublimējas pirms lielajām daļiņām, izraisot augstu piemaisījumu koncentrāciju kristāla agrīnās augšanas stadijās. Turklāt, tā kā cietais SiC augstās temperatūrās sadalās tvaiku veidos, piemēram, C un Si, SiC2 un Si2C, SiC avotam sublimējoties PVT metodē, neizbēgami veidojas ciets C. Ja izveidotā cietā C ir pietiekami maza un viegla, straujas augšanas apstākļos nelielas C daļiņas, kas pazīstamas kā “C putekļi”, var tikt transportētas uz kristāla virsmu ar spēcīgu masas pārnesi, kā rezultātā izaugušajā kristālā veidojas ieslēgumi. Tāpēc, lai samazinātu metāla piemaisījumus un C putekļus, SiC avota daļiņu izmērs parasti ir jākontrolē līdz diametram, kas mazāks par 200 μm, un augšanas ātrums nedrīkst pārsniegt ~0,4 mm/h, lai uzturētu lēnu masas pārnesi un izslēgtu peldēšanu. C putekļi. Metālu piemaisījumi un C putekļi izraisa izaugušo SiC kristālu degradāciju, kas ir galvenie šķēršļi straujai SiC augšanai, izmantojot PVT metodi.
Šajā pētījumā tika izmantoti sasmalcināti CVD-SiC avoti bez mazām daļiņām, novēršot peldošos C putekļus spēcīgas masas pārneses apstākļos. Tādējādi termiskās zonas struktūra tika izstrādāta, izmantojot uz daudzfizikas simulāciju balstītu PVT metodi, lai panāktu strauju SiC pieaugumu, un modelētais temperatūras sadalījums un temperatūras gradients ir parādīts 3.a attēlā.
3. attēls: (a) temperatūras sadalījums un temperatūras gradients PVT reaktora augšanas frontes tuvumā, kas iegūts ar galīgo elementu analīzi, un (b) vertikālais temperatūras sadalījums pa asimetrisko līniju.
Salīdzinot ar tipiskiem termiskās zonas iestatījumiem SiC kristālu audzēšanai ar augšanas ātrumu no 0,3 līdz 0,8 mm/h pie neliela temperatūras gradienta, kas ir mazāks par 1 °C/mm, termiskās zonas iestatījumiem šajā pētījumā ir salīdzinoši liels temperatūras gradients ∼ 3,8 °C/mm pie augšanas temperatūras ~2268°C. Temperatūras gradienta vērtība šajā pētījumā ir salīdzināma ar SiC straujo pieaugumu ar ātrumu 2, 4 mm / h, izmantojot HTCVD metodi, kur temperatūras gradients ir iestatīts uz ~ 14 ° C / mm. No vertikālā temperatūras sadalījuma, kas parādīts 3.b attēlā, mēs apstiprinājām, ka augšanas frontes tuvumā nebija apgriezta temperatūras gradienta, kas varētu veidot polikristālus, kā aprakstīts literatūrā.
Izmantojot PVT sistēmu, SiC kristāli tika audzēti no CVD-SiC avota 4 stundas, kā parādīts 2. un 3. attēlā. Reprezentatīvs SiC kristālu pieaugums no audzētā SiC ir parādīts 4.a attēlā. SiC kristāla biezums un augšanas ātrums, kas parādīts 4.a attēlā, ir attiecīgi 5,84 mm un 1,46 mm/h. Tika pētīta SiC avota ietekme uz audzētā SiC kristāla kvalitāti, politipu, morfoloģiju un tīrību, kas parādīta 4.a attēlā, kā parādīts 4.b-e attēlā. Šķērsgriezuma tomogrāfijas attēls 4.b attēlā parāda, ka kristāla augšana bija izliekta formas suboptimālo augšanas apstākļu dēļ. Tomēr mikro-Raman spektroskopija 4.c attēlā identificēja audzēto kristālu kā vienu 4H-SiC fāzi bez politipa ieslēgumiem. Pīķa (0004) FWHM vērtība, kas iegūta no rentgenstaru šūpošanas līknes analīzes, bija 18, 9 loka sekundes, kas arī apstiprina labu kristāla kvalitāti.
4. attēls: (a) audzēts SiC kristāls (augšanas ātrums 1,46 mm/h) un tā novērtēšanas rezultāti ar (b) šķērsgriezuma tomogrāfiju, (c) mikro-Raman spektroskopiju, (d) rentgenstaru šūpošanas līkni un ( e) rentgena topogrāfija.
4.e attēlā parādīta baltā stara rentgenstaru topogrāfija, kas identificē skrāpējumus un vītņu izmežģījumus audzētā kristāla pulētajā plāksnē. Izaudzētā kristāla dislokācijas blīvums tika izmērīts ∼ 3000 ea/cm², kas ir nedaudz lielāks par sēklu kristāla dislokācijas blīvumu, kas bija ~ 2000 ea/cm². Tika apstiprināts, ka audzētajam kristālam ir salīdzinoši zems dislokācijas blīvums, kas ir salīdzināms ar komerciālo vafeļu kristāla kvalitāti. Interesanti, ka strauja SiC kristālu augšana tika panākta, izmantojot PVT metodi ar sasmalcinātu CVD-SiC avotu lielā temperatūras gradientā. B, Al un N koncentrācijas izaugušajos kristālos bija attiecīgi 2,18 × 10¹6, 7,61 × 10¹⁵ un 1,98 × 10¹9 atomi/cm³. P koncentrācija izaugušajā kristālā bija zem noteikšanas robežas (<1,0 × 10¹⁴ atomi/cm³). Piemaisījumu koncentrācija bija pietiekami zema lādiņa nesējiem, izņemot N, kas tika apzināti leģēts CVD procesa laikā.
Lai gan kristālu augšana šajā pētījumā bija neliela, ņemot vērā komerciālos produktus, veiksmīgai ātras SiC augšanas demonstrēšanai ar labu kristālu kvalitāti, izmantojot CVD-SiC avotu, izmantojot PVT metodi, ir būtiska ietekme. Tā kā CVD-SiC avoti, neskatoties uz to lieliskajām īpašībām, ir izmaksu ziņā konkurētspējīgi, pārstrādājot izlietotos materiālus, mēs sagaidām, ka tos plaši izmantos kā daudzsološu SiC avotu, lai aizstātu SiC pulvera avotus. Lai izmantotu CVD-SiC avotus straujai SiC augšanai, ir nepieciešams optimizēt temperatūras sadalījumu PVT sistēmā, radot papildu jautājumus turpmākajiem pētījumiem.
Secinājums
Šajā pētījumā tika panākta veiksmīga SiC kristāla straujas augšanas demonstrēšana, izmantojot sasmalcinātus CVD-SiC blokus augstas temperatūras gradienta apstākļos, izmantojot PVT metodi. Interesanti, ka strauja SiC kristālu izaugsme tika realizēta, aizstājot SiC avotu ar PVT metodi. Paredzams, ka šī metode ievērojami palielinās SiC monokristālu liela mēroga ražošanas efektivitāti, galu galā samazinot SiC substrātu vienības izmaksas un veicinot augstas veiktspējas jaudas ierīču plašu izmantošanu.
Izlikšanas laiks: 19. jūlijs 2024